TensoRF: Tensorial Radiance Fields

TensoRF通过引入张量分解技术,将4D辐射场表示为低秩张量分量,提升重建质量和速度,同时减少模型体积。论文结合显示和隐式表示,使用VM分解处理体密度和颜色特征,实验中在Lego数据集上展示了高效建模的效果。

TensoRF: Tensorial Radiance Fields

TensoRF是ECCV2022一个非常有特色的工作。作者在三维场景表示中引入张量分解的技术,将4D张量分解成多个低秩的张量分量,实现更好的重建质量、更快的重建速度、更小的模型体积。



一、论文想法

TensoRF并没有采用像原始NeRF一样纯粹的隐式表示方法,更像是一种显示+隐式结合表示的方法,将场景建模为一个四维的张量,张量中的每一项代表一个体素,体素内包含了体积密度和多维的特征信息。

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论文的中心思想是,使用张量分解技术,将4D张量分解成多个低秩的张量分量,实际处理时不用建模出这个4D张量,而用一系列1D向量、2D矩阵表示,从而降低显存消耗,提高运算速度。

二、张量分解-数学原理

外积(outer product)是线性代数中的一类重要运算,对于n维和m维的两个向量,其外积定义为一个n × m的矩阵。即,由u中的每个元素和v中的每个元素相乘得到的m × n阶矩阵A:

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例如,当m=4, n=3时,有:

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如果一个张量可以写成N个向量的外积,这个张量就是秩一张量。

在这里插入图片描述

其中张量中的每一个元素为:

### 实现 Neural Radiance Fields (NeRF) 的 Julia 版本 Neural Radiance Fields 是一种用于从多视角图像合成新视图的技术。该方法通过训练一个连续的场景函数来表示三维环境中的辐射度,从而能够渲染高质量的新视角图像。 在 Julia 中实现 NeRF 需要几个关键组件: 1. **数据准备** 数据集通常由一组不同角度拍摄的对象或场景的照片组成。这些照片需要经过预处理以便于后续模型训练[^1]。 2. **网络架构设计** 使用深度学习库 Flux 或 Knet 来构建一个多层感知器(MLP),这个 MLP 将位置坐标作为输入并预测对应的颜色和体积密度值。为了提高效率,可以采用分层采样策略以及引入空间编码技术如 Positional Encoding[^2]。 3. **损失函数定义** 定义合适的损失函数对于优化至关重要。常见的做法是计算预测像素颜色与真实图片之间的均方误差(MSE)[^3]。 4. **渲染过程模拟** 渲染阶段涉及到沿着射线积分得到最终观察到的颜色。这一步骤可以通过数值积分完成,在实践中常用的方法有反向投影法等[^4]。 下面是一个简单的伪代码框架展示如何用 Julia 和 Flux 库搭建基本版 NeRF: ```julia using Flux, Statistics, Random struct NerfModel model::Chain end function positional_encoding(x, L=10) encoded = [] for i in 0:L-1 push!(encoded, sin.(2^(i)*π*x)) push!(encoded, cos.(2^(i)*π*x)) end vcat(encoded...) end # 初始化神经网络结构 nerf_model = Chain( Dense(63, 256, relu), Dense(256, 256, relu), Dense(256, 256, relu), Dense(256, 4) ) # 训练循环简化版本 for epoch in 1:num_epochs # 获取一批次的数据 batch_data = get_batch() # 前向传播 predictions = nerf_model(positional_encoding(batch_data["points"])) # 计算损失 loss_value = mean((predictions .- batch_data["colors"]) .^ 2) # 反向传播更新参数... end ```
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